軟弱地層多級基坑圍護結構分析

危 潔

(北京市東城區城市管理委員會，北京 100075)

1 概述

深基坑的設計需要考慮對周圍建筑物的影響，同時也應考慮擬建基坑相應的地質條件。基坑在設計過程中，基坑的結構類型、基坑的變形控制和變形規律需要重點考慮。尤其是在軟弱地層地區修建基坑，需要考慮深基坑自身的結構和土體的相互作用。本文介紹某深基坑工程的圍護結構設計與分析，并選取了典型截面進行計算分析。

2 工程概況

基坑位于路貴安新區中心大道—百馬大道立交工程施工段，本項目基坑開挖深度大、總體面積超過10 000 m2，施工需要開挖深度超過15 m大型復雜多邊形基坑，局部還存在二級基坑。針對本基坑采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水的支護體系，提出了大厚度淤泥地質條件下的地層淺表加固鉆孔灌注樁施工關鍵技術和高壓旋噴止水帷幕施工關鍵技術，并對整體基坑支護體系進行了局部優化設計。

3 圍護結構分析

分析基坑開挖對周邊建筑的變形影響，采用有限元軟件MIDAS/GTS中進行計算模擬，根據場地實際地形和基坑結構的實際尺寸和位置建立三維數值模型，然后按照實際施工進行計算，本次數值模擬的模型按如下原則建立：基坑支護樁、支撐、錨桿采用梁單元進行模擬；基坑內外土體均采用三角形單元模擬。本次計算參數通過如下方式來保證選取的正確性：參考地質勘察報告提供的參數進行選取；參考《工程地質手冊》中各種土體的物理力學參數；根據地區相關工程監測經驗的反演結果進行調整。基坑支護結構的材料信息如表1所示。

表1 支護結構材料信息表

4 典型斷面支護結構圖

圖1為F斷面支護結構圖。由圖1可知，基坑分為兩級階梯式開挖，基坑總深度為11.65 m，即第一級階梯挖深3.95 m，第二級階梯7.7 m。基坑開挖范圍內涉及的土層分別為雜填土、淤泥、紅黏土、強風化泥質白云巖夾泥巖、中風化泥質白云巖夾泥巖。采用排樁懸臂式(旋噴樁被動區加固)、排樁+一道混凝土內支撐+一道預應力錨桿的組合支護形式。支護樁-1為φ1 000@1 300鉆孔灌注樁，樁長L=10 m。支護樁-2為φ1 000@1 500鉆孔灌注樁，樁長L=11.35 m。由于第一級階梯基坑開挖范圍內涉及到淤泥層，土質較差，故第一級階梯坑底以下4 m范圍內為高壓旋噴樁被動區加固。第二級階梯基坑的第一道混凝土內支撐，支撐截面尺寸為800 mm×800 mm，下面一道錨桿長11 m，水平間距1.5 m，傾角20°。

對于F斷面模擬分析，按照以下施工步驟進行模擬：1)生產初始應力場：土體在自重下固結穩定下的應力分布(位移清零)；2)進行圍護樁施工：鉆孔樁、旋噴樁、止水帷幕打入土體后的應力重分布；3)對基坑進行開挖模擬：基坑垂直向下開挖3.95 m，澆筑墊層；4)對基坑進行開挖模擬：繼續向下開挖至支撐梁底，施工圍梁、支撐；5)模擬基坑開挖模擬：基坑開挖至第一道錨桿位置，并施工第一道錨桿；6)開挖至坑底：基坑開挖至坑底位置。

5 計算結果

5.1 基坑整體位移情況

圖2為F斷面基坑整體總位移情況，由圖可知，當基坑開挖至基坑底時，第一級階梯基坑坑底表現為隆起變形，靠近基坑邊位置隆起量最大，隆起位移量達34 mm。第二級階梯基坑坑底由于進入中風化，坑底隆起變形不明顯。“支護樁-1”樁身最大位移為51 mm。“支護樁-2”受一道支撐及一道錨桿的約束影響，樁身變形最大為4.3 mm。整體基坑變形情況滿足基坑規范的安全性要求。

5.2 基坑樁頂位移情況

圖3為F斷面的不同工況所對應的支護樁水平最大位移曲線，隨著施工工況的不斷發展，“支護樁-1”與“支護樁-2”的水平最大位移不斷發展，當基坑開挖至坑底時，“支護樁-1”與“支護樁-2”的水平最大位移達到最大。圖4為F斷面的支護樁水平位移情況。當基坑開挖至坑底時，其中“支護樁-1”所受水平位移最大為51 mm。“支護樁-2”所受水平位移最大為7.34 mm，“支護樁-1”的水平位移大于“支護樁-2”的水平位移，且兩者支護樁水平位移表現為樁端位移最大，逐漸沿樁身下方遞減。支護樁豎向位移表現的非常小，幾乎可以忽略不計。

5.3 支護結構受力情況

圖5為F斷面的不同工況所對應的支護樁所受最大彎矩曲線，“支護樁-2”在工況5時達到最大，之后其彎矩有一定下降，圖6為F斷面的支護樁所受彎矩情況。當基坑開挖至基坑底時，“支護樁-1”“支護樁-2”所受最大的彎矩分別為142 kN·m，443 kN·m(向臨坑面)。經驗算滿足支護樁配筋要求。

5.4 地表沉降變形情況

圖7為F斷面的不同工況所對應的地表最大沉降曲線，整個基坑為兩級階梯式開挖特點，基坑外側土體局部表現為土體沉降的特征，最大沉降量為28.1 mm，沉降槽呈“半圓形”拋物線形，受淤泥土質影響，其影響范圍大致在2倍的基坑深度內。第一級階梯基坑底表現為隆起變形，最大隆起量為28.9 mm。

6 結語

通過數值計算和現場試驗，計算了復雜深基坑的圍護結構，選取典型斷面，對基坑支護結構進行分析，計算了基坑的整體位移，基坑樁頂位移，同時分析了基坑中的支護結構受力情況，最后計算了基坑的地表沉降。經計算，支護結構合理，能夠有效地控制基坑的位移。